基于博士生科研能力培养的“环境微生物图谱解析”课程教学改革探讨

李鹏松 党 岩 孙德智

(北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083)

近年来，随着“211”工程“985”工程和“双一流”建设的推进，我国的高等教育取得了前所未有的巨大发展。据俄罗斯卫星通讯社报道，俄罗斯国立研究大学高等经济学院统计调查与知识经济研究所在2018年发布的研究报告显示，中国已超越美国成为2015-2017年期间科技论文发表数量最多的国家，发表数量占全球发表总数的26.9%[1]。对于这一成就，我国广大博士研究生群体功不可没。然而，在全国政协十三届一次会议上，著名科学家施一公[2]教授指出，有些文章，通俗点叫“垃圾文章”，就是纯粹为了发文而发文，这种情况太多了。可见，我国的科研质量还有待提高。

按教育层次划分，博士研究生是我国人才培养的最高阶段。博士研究生是科学研究的主力军，其科研能力培养不但关系到个人发展，而且关系到国家整体科研实力的增强。博士研究生不但应具有深厚的理论知识，而且还应具有提出问题、分析问题、解决问题和做出创新性成果的科研能力。而课程教学是博士研究生培养过程中的重要环节，也是保证博士研究生培养质量的重要因素之一，因此笔者认为博士阶段的课程教学应当以培养学生的科研能力为目的。

近年来，伴随着基因组学、蛋白质组学和代谢组学的发展，微生物生态学领域相关研究进入了生物组学时代。生态环境工程专业博士研究生的学科背景多为环境科学与工程相关专业，生物学相关基础知识相对薄弱，因此其在从事生物组学相关科学研究中常常会遇到困难。为了扩充生态环境工程专业博士研究生的知识储备，“环境微生物图谱解析”课程教学团队为北京林业大学生态环境工程领域博士研究生开设了该课程。该课程主要讲授现代微生物生态学研究技术涉及的数据处理与分析方法，尤其是污染物微生物处理系统中的微生态关系和功能解析。“环境微生物图谱解析”课程教研团队发现，在该课程教学中还存在的一些不利于学生科研能力提高的问题。因此，笔者对“环境微生物图谱解析”课程教学进行了改革探索，取得了一定的成效。

一、生态环境工程专业“环境微生物图谱解析”博士研究生课程教学面临的问题

(一)忽视课程教学在博士研究生科研能力培养中的关键作用

“环境微生物图谱解析”课程教学团队在生态环境工程专业博士研究生课程教学实践中发现，以往该课程以环境生物技术原理与应用方法的传授为目的，旨在扩充生态环境工程专业博士研究生的知识储备，导致学生往往只注重对该课程所学理论知识的验证，而不知如何将所学的理论知识应用于科学研究。

通过本科和硕士阶段的学习，博士研究生已经掌握了较为扎实的专业基础理论知识，具有明确的学科和专业发展目标。与本科和硕士阶段相比，在博士阶段教师更加注重培养学生的科研能力，正因为如此，使得教师忽视了在课程教学中对于博士研究生科研能力的培养。对于博士研究生而言，要不要在其培养阶段组织课程教学、课程教学环节的作用是什么等问题，学者们的认识并不一致，各国的做法也各不相同。作为高等教育强国的美国在博士研究生培养过程中比较注重课堂教学[3]；我国著名科学家、教育家、国家自然科学基金委员会首任主任唐敖庆[4]教授早在上世纪90年代就指出，我国的博士质量相当于美国的中等水平，与他们的最大差距在课程教学上。当今社会，科学技术飞速发展，知识更新极为迅速，高水平科学研究所需要的日新月异的新理论、新技术和新方法都可以从课程学习中获取。因此，加强课程建设是培养博士研究生科研能力的重要途径之一，课程教学对于博士研究生科研能力培养的关键作用应该得到充分重视。为了充分发挥课程教学对博士研究生科研能力培养的重要作用，要将培养学生科研能力作为课程教学的首要目的。

(二)课程教学内容与科研脱节

以往“环境微生物图谱解析”课程在教学内容设置上偏向于对环境微生物领域基本理论知识、经典技术及其应用的介绍，但笔者通过学生反馈了解到，该课程所涉及的理论知识和技术大多与学生的研究方向相关度较低，导致博士研究生在课堂上所学的知识无法在科研实践中得到应用。出现这种现象的原因在于，受传统教育理念的影响，高校教师的教学和科研工作往往被割裂为两项相对独立的工作，一些教师认为科研就是成果化的科学研究，把教学活动仅局限于教材和课堂上[5]，致使博士研究生的课程在教学内容设置上仅注重学生基础知识和基本技能的培养，而忽略了科研能力的培养，使课程教学内容与科学研究内容严重脱节。因此，笔者基于教师的科研成果和学生的科研方向对“环境微生物图谱解析”课程教学内容进行了修订，实现了科研反哺教学。

(三)传统教学方法不利于博士研究生科研能力的培养

“环境微生物图谱解析”课程教学团队过去采用传统的教学方法对该课程所要求的知识点进行讲解，学生在整个教学过程中处于被动接受知识的状态。在“环境微生物图谱解析”课程中涉及到的各种生物组学技术内容对环境生态工程专业学生来说过于抽象，教师采用传统教学方法讲授时教学效果并不理想，学生普遍反映难以深刻理解、掌握该课程内容，在相关数据分析与图谱解析的过程中会遇到较多困难。可见，传统的教学方法不利于博士研究生科研能力的培养。

二、基于博士研究生科研能力培养的“环境微生物图谱解析”课程教学改革的举措

(一)以培养博士研究生的科研能力作为首要教学目标

“环境微生物图谱解析”课程教学团队首先对该课程教学大纲中的教学目的进行了修订，在“使博士研究生深入理解环境微生物样品检测技术的数据信息在生态环境工程系统过程机制探索中的特定作用，并掌握环境微生物样品经检测所获图谱的解析方法”的基础上，添加了“以培养博士研究生的科研能力作为首要目的，……，培养博士研究生分析复杂环境微生态系统的研究能力，使博士研究生能够将所学内容运用于生态环境工程领域中复杂环境微生物系统的检测与数据分析工作中”。通过明确该课程以培养博士研究生科研能力作为首要目的，强调了“环境微生物图谱解析”课程教学对于学生科研能力培养的关键作用。

(二)将科研反哺教学的理念落实到课程教学中

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上发表的重要讲话指出：“办好我国高校，办出世界一流大学，必须牢牢抓住全面提高人才培养能力这个核心点，并以此带动高校的其他工作。”2012年教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》指出，促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容。可见，高校的科研活动应以教学为基础，以教学内容为起点，服务于教学又蕴含于教学过程之中。科学研究是促进教学质量提升的重要手段，是教师更新知识、补充教学内容的来源，有利于教师学术水平和教学能力的提高。在课程教学中，通过科研反哺教学能够更有针对性地培养博士研究生的科研能力。

在“环境微生物图谱解析”课程教学过程中，教学团队始终坚持科研反哺教学的理念，根据环境科学与工程学院各博士生导师所从事科研的方向和特点，对该课程教学内容进行了修订。例如，环境科学与工程学院多位博士生导师从事污水或土壤中抗生素抗性基因的分布及动态变化特征相关的研究，其博士研究生对这一方向所涉及到的技术原理、数据分析流程和图谱解析方法都有迫切的需求。因此，“环境微生物图谱解析”课程教学团队将自身以及环境科学与工程学院博士生导师的最新研究成果以案例的形式展示给学生，并对该案例的“研究目的-技术选择-实验设计-实验操作-数据分析-图谱解析”进行全流程的详细讲解，以期为博士研究生的科研能力提升提供帮助。在此基础之上，该课程教学团队教师还要求博士研究生根据自身未来的研究方向自主开展实验方案的设计和技术路线的选择，并让全体学生参与讨论，最后教师给出点评意见。“环境微生物图谱解析”课程教学团队通过将教师在科研一线总结的经验、取得的成果融入课程教学，实现了科研反哺教学、教学服务科研的良性循环，更有利于培养学生分析问题、解决问题的科研能力。

(三)采用“案例+讨论”的教学方法

“环境微生物图谱解析”课程教学团队尝试将“案例+讨论”式教学方法应用于课程的教学实践中，以加强学生对课程所涉及的环境生物技术的理解。“案例+讨论”式教学法指围绕一定的教育目的，把实际教育过程中真实的情形加以典型化处理，形成学生思考和决断的案例，并利用独立研究和小组讨论的方式来提高学生分析问题和解决问题能力的一种方法[6]。在“案例+讨论”式教学过程中，博士研究生需要对所学知识进行综合分析，并通过可能的渠道获取相关信息，对信息进行甄别处理，用于解决所讨论的问题[7]。可见，与传统教学模式相比，“案例+讨论”式教学法更加注重博士研究生素质和能力的培养。

另外，“环境微生物图谱解析”课程教学团队基于微生物生态学领域国际顶级期刊上发表的学术论文及自身科研项目所涉及的研究内容，精选出一些典型研究案例应用到该课程教学中。课前，教师将这些典型案例布置给博士研究生进行预习并布置相关思考题。课堂上，学生针对这些案例进行分组讨论，并进行小组汇报；教师对各小组的汇报情况进行点评，并对各研究案例中所用到的各种生物组学技术的原理和使用条件进行讲解。例如，生态环境工程专业博士研究生的研究课题越来越多地涉及到微生物转录组学分析相关内容，目前的转录组学分析工作多委托科研服务公司开展，这虽然降低了该技术的应用门槛，但博士研究生在解读公司给出的技术报告时往往无从下手，导致对研究结果的分析不够深入。针对这一问题，“环境微生物图谱解析”课程教学团队首先选取了典型的转录组学分析技术报告，在课前布置给博士研究生进行预习；其次在课堂上教师针对转录组学分析的研究目的、技术原理、实验设计、实验流程和结果分析进行讲解；最后再给博士研究生布置个性化分析任务，让学生通过小组讨论与实践理解与掌握该技术。

三、基于博士研究生科研能力培养的“环境微生物图谱解析”课程教学改革的成效

从整体上看，博士研究生对“环境微生物图谱解析”课程的学习兴趣较为浓厚，尤其是研究方向与微生物生态学相关的学生上课积极性和参与度都较高。

从教学评价结果来看，该课程的综合评分高达99.6分(满分100分)，表明博士研究生对该课程的教学满意度高。在课堂讨论与展示环节，学生能够针对“分子系统及物种组成分析”“荧光标记技术”“功能基因检测及图谱分析”和“环境微生物组学分析”等研究主题进行文献调研，总结归纳出典型的环境微生物图谱案例，并对这些案例做出深入的解析。

从考试成绩看，博士研究生对知识点的掌握程度良好，绝大部分学生通过学习该课程提升了环境微生物图谱解析能力，与课程设置期望相符合。通过对教学改革前后期末考试所涉及知识点的得分率进行对比，笔者发现本次教学改革后各知识点的得分率均有所提高，见图1。图1表明本次教学改革对于培养博士研究生的环境微生物图谱解析能力具有一定的促进作用。在课程学习过程中以及课程结束以后，一些博士研究生能够将该课程所学的知识与技能应用到自身的研究中。例如，有位从事厌氧消化体系中微生物胞外电子传递相关研究的博士研究生通过在实验设计、样本采集、数据收集、处理与解析的过程中自身钻研并与教学团队进行讨论，完成了深入的数据分析与高质量的基因图谱绘制，实现了在基因水平和蛋白质水平上对微生物直接种间电子传递的深入解析，相关研究成果已被本领域顶级学术期刊接收，得到了同行专家的认可。可见，博士研究生通过“环境微生物图谱解析”课程学习及课后的科研实践，其科研能力得到了实质性的锻炼和提高。

四、“环境微生物图谱解析”博士研究生课程教学改革的展望

在“环境微生物图谱解析”课程的教学过程中，教学团队也发现了一些新的问题，希望在今后的教学过程中进一步改进。

首先，由于博士生研究生各自的研究领域存在差异，对于环境微生物学的掌握程度和水平差异较大，一部分学生觉得教学内容浅显易懂，另一部分学生觉得听不懂。因此，在今后的“环境微生物图谱解析”课程教学过程中需要寻求更合适的案例以使具有不同基础、不同学科背景的学生能够更好地掌握教学内容。

其次，在“环境微生物图谱解析”课程教学的图谱案例选择、生物组学技术的前沿性、实用性方面还需要加强。

最后，“环境微生物图谱解析”课程教学团队希望在今后的课程教学中融入双语或全英文授课模式，以提高博士研究生的英文能力，开拓学生的国际化视野，提升国际竞争力。